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姓名 鄭律詩專業(yè) 機(jī)械制造及其自動化指導(dǎo)老師 郭磊設(shè)計時間 2015 6 1 2013 8 02 傳說 蒙古韃靼侵占中原后 建立元朝 為防止 漢人 造反起義 將家家戶戶的金屬全部沒收 并規(guī)定十戶用廚刀一把 切菜做飯輪流使用 用后再交回韃靼保管 一天中午 一位老婆婆將棒子 高粱面和成面團(tuán) 讓老漢取刀 結(jié)果刀被別人取走 老漢只好返回 在出韃靼的大門時 腳被一塊薄鐵皮碰了一下 他順手揀起來揣在懷里 回家后 鍋開得直響 全家人等刀切面條吃 可是刀沒取回來 老漢急得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn) 忽然想起懷里的鐵皮 就取出來說 就用這個鐵皮切面吧 老婆一看 鐵皮薄而軟 嘟喃著說 這樣軟的東西怎能切面條 老漢氣憤地說 切 不動就 砍 砍 字提醒了老婆 她把面團(tuán)放在一塊木板上 左手端起 右手持鐵片 站在開水鍋邊 砍 面 一片片面片落入鍋內(nèi) 煮熟后撈到碗里 澆上鹵汁讓老漢先吃 老漢邊吃邊說 好得很 好得很 以后不用再去取廚刀切面了 這樣一傳十 十傳百 傳遍了晉中大地 傳統(tǒng)的制作方法是一手托面 一手拿刀 直接削到開水鍋里 其要訣是 刀不離面 面不離刀 胳膊直硬手平 手端一條線 一棱趕一棱 平刀是扁條 彎刀是三棱 山西刀削面固然好吃 但由于它的制作工藝復(fù)雜 費(fèi)力 并且能夠在自家中自制刀削面的更是少之又少 因而刀削面卻得不到很大推廣 現(xiàn)在刀削面機(jī)器的出現(xiàn)很可能改變上述這一困境 運(yùn)用刀削面機(jī)械手能夠連續(xù)提供高效安全的勞動力來替代刀削面技師進(jìn)行大批量生產(chǎn) 這使得它的市場應(yīng)用前景十分廣闊 1 生產(chǎn)中應(yīng)用刀削面機(jī)械手 有利于提高面料的傳送 刀具的更換以及刀削面機(jī)器的裝配等的自動化程度 從而可以提高勞動刀削面的生產(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 加快實現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐 2 在高溫 高油煙 潮濕等惡劣的環(huán)境中 刀削面技師用手工操作是十分繁瑣 辛苦 而刀削面機(jī)械手即可部分或全部代替刀削面技師高效地進(jìn)行作業(yè) 大大地改善了技師的勞動限制 同時 在一些簡單的機(jī)械動作作業(yè)的操作中 用刀削面機(jī)械手代替廚師操作 可以避免由于刀削面技師操作疲勞而引發(fā)的安全事故 3 應(yīng)用刀削面機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作 這是直接減少勞動力的一個方面 同時由于刀削面機(jī)械手可以連續(xù)地工作 這是減少勞動強(qiáng)度的另一個方面 由于市面上的刀削面機(jī)器基本上全部普及了數(shù)控操作 這導(dǎo)致了它的高成本高價位使得一般的餐飲業(yè)的老板放棄了對它的需求 因此 刀削面機(jī)械手的推廣需要重新設(shè)計運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制模式來降低人員維護(hù)與保養(yǎng)成本 保養(yǎng)費(fèi)用及造價 為了更大范圍推廣刀削面機(jī)械手 因而本課題設(shè)計的主要目的就是放棄數(shù)控操作刀削面機(jī)械手 而通過借助于SW軟件 運(yùn)用常見機(jī)構(gòu)配合的運(yùn)動軌跡實現(xiàn)刀削面的走刀運(yùn)動以及進(jìn)給量控制來降低成本 推廣刀削面機(jī)械手的市場 1 結(jié)合機(jī)械手設(shè)計這方面的知識 在設(shè)計過程中學(xué)會怎樣發(fā)現(xiàn)問題 研究問題 解決問題 2 改善了技師的勞動限制 避免由于刀削面技師操作疲勞而引發(fā)的安全事故 3 提高刀削面的生產(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 加快實現(xiàn)食品生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐 4 推廣中國山西美食刀削面走向世界 為增強(qiáng)中國軟實力做微薄的貢獻(xiàn) 機(jī)械手在人為放置好面料后 選擇并調(diào)整好刀具使得機(jī)械手全自動完成整個削面的所有動作 其中該機(jī)械手需要完成的三個主要作業(yè)動作如下 1 機(jī)械手小臂繞肘關(guān)節(jié)往返擺動60 90 做切削動作 2 大臂相對于面料放置板做橫向進(jìn)給運(yùn)動 完成面料表層的切削后回復(fù)進(jìn)刀的初始位置 3 大臂相對于面料放置板做縱向進(jìn)給運(yùn)動 完成切削面料后停止進(jìn)給運(yùn)動 該機(jī)械手臂握緊刀具用于切削面板上的面料 整個機(jī)械手安裝在一個固定的機(jī)架上 大臂保持固定姿態(tài)下 小臂的回轉(zhuǎn)角度控制在60 90 則切削作業(yè)可以依靠放置面料面板的橫向進(jìn)給和縱向抬升配合小臂的擺動三個驅(qū)動力共同完成 因此整個機(jī)械手的自由度最高為3 三個不同驅(qū)動力也可通過機(jī)構(gòu)聯(lián)動配合完成則該機(jī)械手自由度最低為1 由3個不同布局的電機(jī)控制3個不同的作業(yè)動作 該自由度為3 由2個不同布局的電機(jī)控制2個不同的作業(yè)動作 其中選一個對控制要求高的動作為獨立動作 例如上下進(jìn)給運(yùn)動 另外兩個動作通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動 由一個電機(jī)控制 該自由度為2 由1個電機(jī)通過連桿或齒輪等機(jī)構(gòu)聯(lián)動控制3個不同的作業(yè)動作 該自由度為1 針對機(jī)械手動作控制情況可以分以下三種 方案一 為市面上典型的刀削面機(jī)械手 它借助于數(shù)控程序來精確控制三個不同動作的運(yùn)動時間與運(yùn)動速度 達(dá)到全自動化控制整個作業(yè)動作 方案二 也是通過數(shù)控控制兩個電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)配合完成切削作業(yè) 方案三 則對數(shù)控技術(shù)依賴程度大大降低 甚至可以完全擺脫數(shù)控控制進(jìn)行整個作業(yè)操作 綜上所述 從刀削面機(jī)械手的成本控制上 數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用以及電機(jī)的使用數(shù)量不僅占了刀削面機(jī)械手的大部分制造成本 而且增加了機(jī)械手的不穩(wěn)定性和維護(hù)成本以及可操作的簡易性 也提高對機(jī)械手對作業(yè)環(huán)境的要求 對比下 單自由度的方案一比較單一 制造成本低因而更加適應(yīng)當(dāng)前的市場需求 1 實現(xiàn)機(jī)械手小臂的切削動作方案 圖 刀削面機(jī)械手圖一優(yōu)點 該方案的空間利用率高 尤其在空間有限的仿真機(jī)械手比較實用 缺點 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的成本比較高 機(jī)構(gòu)復(fù)雜度高 機(jī)械效率比較低 刀削面機(jī)械手圖二 優(yōu)點 機(jī)械效率高 制造成本低 空間復(fù)雜度低 便于安裝維護(hù) 缺點 占用比較大的空間 該機(jī)械手的設(shè)計目的在于降低其制造成本 由于圖二在機(jī)械效率和制造成本上都高于方案一 故選方案一作為刀削面機(jī)械手小臂切削機(jī)構(gòu) 2 大臂相對于面料放置板做橫向進(jìn)給運(yùn)動方案凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點 結(jié)構(gòu)緊湊 可靠性高 可以實現(xiàn)自動化 缺點 不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn) 齒輪齒條優(yōu)點 承載力大 傳動精度較高 可達(dá)0 1mm 可無限長度對接延續(xù) 傳動速度可以很高 缺點 若加工安裝精度差 傳動噪音大 磨損大 運(yùn)用凸輪機(jī)構(gòu)在控制刀削面面料板時運(yùn)動速度十分緩慢 且安裝便捷 故選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料進(jìn)給機(jī)構(gòu) 3 大臂相對于面料放置板做縱向進(jìn)給運(yùn)動方案面料板的縱向進(jìn)給速度相比于橫向進(jìn)給速度更加緩慢 因此選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu) 但是 由于齒輪齒條機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)可以合并成一個新的機(jī)構(gòu) 詳見 不僅減少機(jī)械手的復(fù)雜度也減少了一個凸輪機(jī)構(gòu)占用的空間 故最終選擇齒輪齒條機(jī)構(gòu)作為面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu) R45 CD BD R65 CD BD由圖知 R45 R65與R18的交點分別是該四桿機(jī)構(gòu)的兩個極限位置 兩極限位置夾角為78度 符合該機(jī)械手設(shè)計方案 小臂建模如下 由機(jī)械手在切削運(yùn)動時 面料在單位時間的橫向進(jìn)給量是不變的 并且面料表層切削完成后的回程運(yùn)動要迅速 則該凸輪設(shè)計如下 由于橫向進(jìn)給的速度V是均勻的 則凸輪的推程是等速運(yùn)動 但是凸輪在起始位置的推程速度就達(dá)到V時 加速度a v 0 t 則加速度a無窮大 因此凸輪推程起始與結(jié)束位置作簡諧運(yùn)動 中間作等速運(yùn)動 凸輪機(jī)構(gòu)簡圖 基圓半徑為10mm則推程 簡諧運(yùn)動s h 2 1 cos v h 2 sin a h 2 2 2 2 cos 等速運(yùn)動s h v v0 h a 0回程 簡諧運(yùn)動s h 2 1 cos s v sin s h 2 a h 2 2 2 2 cos s 等速運(yùn)動s h h s v v0 h a 0其中最大推程 12cm 1 2 1 5即推程角 60 回程角 300 最遠(yuǎn)端最近端 由于面料橫向進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)為凸輪機(jī)構(gòu) 為了降低機(jī)械手內(nèi)部機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度 我們可以將凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪齒條機(jī)構(gòu)向融合 形成一個具有自主創(chuàng)新的新機(jī)構(gòu)如下圖所示 該機(jī)構(gòu)的矩形螺紋在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相當(dāng)于齒輪 齒距為2mm 該刀削面機(jī)械手完成一次面料表層的切削 即凸輪旋轉(zhuǎn)一圈 則放置面料板抬升2mm繼續(xù)切削下一層面料 面料縱向與橫向進(jìn)給合并機(jī)構(gòu)建模如下 面料縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的止停方案如下 在面料板上升至最高處時 刀具已經(jīng)接近面料放置板 如果未能停止 則會對刀具及面料板造成一定的損害 如上圖 面料板上的方塊是一個電機(jī)的電源開關(guān)控制器 當(dāng)面料板機(jī)構(gòu)上升頂住開關(guān)則斷開電機(jī)電源 完成刀削面全自動切削生產(chǎn) 換擋功能機(jī)構(gòu) 換擋功能無非就是控制該刀削面機(jī)械手的三大運(yùn)動機(jī)構(gòu) 切削 橫向進(jìn)給 縱向進(jìn)給 的相對運(yùn)動速度 它涉及到更換的機(jī)構(gòu)有如下 刀具 凸輪 過度齒輪 圖1 螺紋板 圖2 簡要的文字說明 通過更換過度齒輪 如圖1 的上齒輪及凸輪來控制機(jī)械手的橫向進(jìn)給速度 更換嵌套在面料板機(jī)構(gòu)下的螺紋板 如圖2 來控制機(jī)械手的縱向進(jìn)給速度 由于橫向和縱向進(jìn)給速度改變導(dǎo)致切削面料的寬度和深度也跟著改變 因而 選擇對應(yīng)型號的刀具 切寬 切深相符 從而自定切削出來的刀削面的寬厚來滿足不同顧客不同口味的需求 圖一圖二 換擋功能 為了簡化設(shè)計 所有的齒輪采用相同的模數(shù) 如上圖 該機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動的錐齒輪a通過整個輪系帶動凸輪h旋轉(zhuǎn) 則 注釋 d 齒輪直徑m 齒輪模數(shù)z 齒輪齒數(shù)n 齒輪傳動比由于 d m z則N1 N2 z2 z1 d2 m2 d1 m1 又因為 m1 m2 m3 m4 mn傳動比為 Na Nb db da 2 1 Nb Nd dd db 2 1 Nd Nf Nd Ne 6 1 Nf Ng 14 3即 Nd Ng 28 1 d齒輪即是四桿機(jī)構(gòu)的曲柄 刀具的切寬和切深 由推程角與回程角比是 1 2 1 5即 1 60 2 300 該刀削面機(jī)械手在面料表層將切削的最大面條數(shù)為 28 5 6 24 取整 由最大推程為12cm 者刀削面面寬最大為12 24 0 5cm 因此刀具的削面最小寬慰5mm 刀具的切深為2mm 機(jī)械手的驅(qū)動裝置通常是電力傳動 氣壓傳動 液壓傳動和機(jī)械傳動等四個基本形式由于本設(shè)計研究的機(jī)械手的額定負(fù)載一般 綜合分析后 決定采用電力傳動 這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單 易于控制 使用維修方便 不污染環(huán)境等優(yōu)點 而電機(jī)又分以下4種 1 步進(jìn)電機(jī) 2 直流伺服電機(jī) 3 交流伺服電機(jī) 4 三相異步電機(jī) 使用直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制 精度高 額定轉(zhuǎn)速高 但價格較高 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動具有成本低 但若高于一定速度就無法啟動 并伴有嘯叫聲 上述電機(jī)的功能要求基本上是針對數(shù)控加工的 而刀削面驅(qū)動裝置無需通過脈沖控制 因而使用通用的三相異步電動機(jī) 由于Na Nb da db 2 1 Nb Nd db dd 2 1 則 Na Nd 4 1 刀削面機(jī)械手的小臂搖桿機(jī)構(gòu)搖擺速度即是切削速度 考慮到搖桿機(jī)械疲勞強(qiáng)度限制 搖桿最高速度v為4次每秒 不同電機(jī)極數(shù)的三相異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速如下 2極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn) 分 4極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn) 分 6極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn) 分 8極電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn) 分 三相異步電機(jī)速度V v Nd Na 16 s 960轉(zhuǎn) 分 故選擇8極三相異步電機(jī) 則刀削面機(jī)械手的切削速度v 750 4 60 3 125條 秒 換擋功能 由于設(shè)計時間有限 對于機(jī)械手的設(shè)計還存在許多不足和可以該進(jìn)的地方 希望各位老師評審多多指教